【文章內(nèi)容簡介】 15個(gè)通用寄存器（R0－R14）、一個(gè)或者兩個(gè)狀態(tài)寄存器以及程序計(jì)數(shù)器（PC）。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一個(gè)物理寄存器；有些寄存器是各模式自己擁有的獨(dú)立的物理寄存器。： ARM狀態(tài)下的寄存器組，通用寄存器R0－R7在所有的處理器模式下指的都是同一個(gè)物理寄存器，而對于R8－R12寄存器組，除了在快速中斷模式下有自己專有的物理寄存器，其它模式下也共有統(tǒng)一物理寄存器。R13寄存器對應(yīng)6個(gè)不同的物理寄存器，即除了前面提過的用戶模式與系統(tǒng)模式共用一個(gè)寄存器外，其它模式都有相應(yīng)的物理寄存器；一般地，R13寄存器在ARM中通常用作棧指針，在ARM指令中這只是一種習(xí)慣的用法，并沒有任何指令強(qiáng)制性的使用R13作為棧指針。R14寄存器又被稱為連接寄存器（Link Register，LR），在ARM體系中有下面兩種特殊的作用：★ 每一種處理器模式自己的物理R14中存放當(dāng)前子程序的返回地址。當(dāng)通過跳轉(zhuǎn)指令調(diào)用子程序時(shí)，R14被設(shè)置為該子程序的返回地址；在子程序中，把R14的指賦值到程序計(jì)數(shù)器PC中時(shí)，子程序返回?！? 當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，該異常模式特定的物理R14被設(shè)置成該異常模式將要返回的地址，對于有些異常模式，R14的值可能與將返回的地址有個(gè)常數(shù)的偏移量。 程序計(jì)數(shù)器R15又被記作PC。由于ARM采用了流水線機(jī)制，當(dāng)正確讀取了PC的值時(shí)，該值為當(dāng)前指令地址加8個(gè)字節(jié)。也就是說，對于ARM指令集來說，PC指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址。由于ARM指令是字對齊的，PC值的第0位和第1位總為0。CPSR（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器）可以在任何處理器模式下被訪問。它包含了標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志以及其它的一些控制和狀態(tài)位。每一種處理器異常模式下都有一個(gè)專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）。當(dāng)特定的異常中斷發(fā)生時(shí)，這個(gè)寄存器用于存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。在異常中斷返回退出時(shí)，可以用SPSR種保存的值來恢復(fù)CPSR。由于用戶模式和系統(tǒng)模式不是異常中斷模式，所以它們沒有SPSR。當(dāng)用戶模式或者系統(tǒng)模式中訪問SPSR，將會產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。SPSR與CPSR的格式相同，：N（Negative）、Z（Zero）、C（Carry）、V（Overflow）統(tǒng)稱為標(biāo)志位。大部分的ARM指令可以根據(jù)CPSR中的這些條件標(biāo)志位來選擇性地執(zhí)行。各條件標(biāo)志位的具體含義如下：N：當(dāng)兩個(gè)補(bǔ)碼表示的有符號整數(shù)運(yùn)算時(shí)，N＝1表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)；N＝0表示運(yùn)算結(jié)果為正數(shù)或零；Z：Z＝1表示運(yùn)算結(jié)果為零；Z＝0表示運(yùn)算的結(jié)果不為零；C：在加法指令中，當(dāng)結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位，則C＝1；其他情況下C＝0； 在減法指令中，當(dāng)運(yùn)算中發(fā)生借位，則C＝0；其他情況下C＝0；V：對于加/減法運(yùn)算指令，當(dāng)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果為二進(jìn)制的補(bǔ)碼表示的帶符號數(shù)時(shí)，V＝1表示符號位溢出。 CPSR的低8位稱為控制位，當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)這些位發(fā)生改變。在特權(quán)模式下，軟件可以修改這些控制位： I：普通中斷禁止位；I＝1時(shí)禁止IRQ中斷。 F：快速中斷禁止位；F＝1時(shí)禁止FIQ中斷。T：對于ARMv4以及更高的版本的T系列的ARM處理器 T＝0表示執(zhí)行ARM指令T＝1表示執(zhí)行Thumb指令 對于ARMv5以及更高版本的非T系列的ARM處理器★ T=0表示執(zhí)行ARM指令★ T＝1表示強(qiáng)制下一條執(zhí)行的指令產(chǎn)生為定義指令中斷 Modes位控制處理器模式，在這不再贅述。 ARM存儲系統(tǒng)這里僅僅介紹ARM編程模型中與存儲系統(tǒng)相關(guān)的一些概念。（1）ARM體系中的存儲空間ARM體系中使用單一的平板地址空間。該地址空間的大小232個(gè)8位字節(jié)。這些字節(jié)單元的地址是一個(gè)無符號的32位數(shù)值，其取值范圍為0到232－1。ARM的地址空間也可以看作是230個(gè)32位的字單元。這些字單元的地址可以被4整除，也就是說該地址的低兩位為0b00。地址為A的字?jǐn)?shù)包括地址A、A+A+A+3這4個(gè)字節(jié)單元的內(nèi)容。（2）ARM的存儲器格式在ARM體系中，每個(gè)字單元中包含4個(gè)字節(jié)單元或者兩個(gè)半字單元，其中1個(gè)半字單元中包含兩個(gè)字節(jié)單元。但是在字單元中，4個(gè)字節(jié)哪一個(gè)是高位字節(jié)，哪一個(gè)是低位字節(jié)，則有兩種不同的格式：bigendian格式和littleendian格式。在bigendian格式中，對于地址為A的字單元包括字節(jié)單元A、A+A+A+3，其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳、A+A+A+3；地址為A的字單元包括半字單元A、A+2，其中半字單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳、A+2；地址為A的半字單元包括字節(jié)單元A、A+1，其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳、A+1。這種存儲器格式如下圖所示： bigendian格式的存儲系統(tǒng)在littleendian格式中，地址為A的字單元包括字節(jié)單元A、A+A+A+3，其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳＋A+A+A；地址為A的字單元包括半字單元A、A+2，其中半字單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳＋A；地址為A的半字單元包括字節(jié)單元A、A+1，其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳＋A。這種存儲器格式如下圖所示： littleendian格式的存儲系統(tǒng) ARM指令集介紹ARM指令系統(tǒng)屬于RISC指令系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的ARM指令每條都是32位，有些ARM核還可以執(zhí)行16位的Thumb指令集。一般地，ARM指令具有以下特點(diǎn)：★ 指令的條件執(zhí)行 ARM指令都是條件執(zhí)行，條件標(biāo)志位位于程序代碼字節(jié)的cond位（位28 － 31，下文會介紹）。根據(jù)cond的不同編碼，可以選擇根據(jù)條件碼標(biāo)志決定指令的執(zhí)行?！? 靈活的第二操作數(shù) ARM指令的另一個(gè)重要的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理類指令有靈活的第二操作數(shù)operand2（位與程序代碼的位0－11）。它既可以是立即數(shù)，也可以是邏輯運(yùn)算數(shù)，使得ARM指令可以在讀取數(shù)值的同時(shí)進(jìn)行算術(shù)和移位操作?！? 協(xié)處理器的作用 ARM內(nèi)核可提供協(xié)處理接口，通過擴(kuò)展協(xié)處理器完成更加復(fù)雜的功能。因此ARM指令中還包括了多條協(xié)處理器指令，使用多達(dá)16個(gè)協(xié)處理器，允許將其他處理器通過協(xié)處理器接口進(jìn)行緊耦合；ARM還包括幾種內(nèi)存管理單元的變種，包括簡單的內(nèi)存保護(hù)到復(fù)雜的頁面層次?！? Thumb指令 ARM在有的版本支持16位Thumb指令。Thumb指令集的整體執(zhí)行速度比ARM32位指令集快，而且提高了代碼密度?！? 具有RISC指令的特點(diǎn) 由于ARM指令屬于RISC指令，所以多具有RISC指令的特點(diǎn)，指令少，且等長，便于充分利用流水線技術(shù)，使用多寄存器，且為簡單的Load和Store指令。ARM指令按功能大致可以分為跳轉(zhuǎn)指令、數(shù)據(jù)處理指令、乘法類指令、數(shù)據(jù)傳送指令、協(xié)處理器類指令以及雜項(xiàng)指令（包括狀態(tài)寄存器傳送指令、乘法類指令、軟件中斷指令和斷點(diǎn)指令）。ARM指令字長為固定的32位，一條典型的ARM指令編碼格式如下： 數(shù)據(jù)處理指令編碼其中：★ Cond 位28－31，執(zhí)行指令的條件編碼。★ I 位25，決定operand2的格式?！? opcode 位21－24，操作碼?！? S 位20，表示結(jié)果是否影響狀態(tài)寄存器標(biāo)志位：1影響，0不影響。★ Rn 位16－19，第一操作數(shù)的寄存器編碼?！? Rd 位12－15，目標(biāo)寄存器編碼?！? operand2 位0－11，表示第二操作數(shù)編碼。ARM指令包括60多個(gè)指令，并且支持多種尋址方式：寄存器尋址、立即數(shù)尋址、寄存器間接尋址、寄存器變址尋址、多寄存器尋址、堆棧尋址、塊拷貝尋址以及相對尋址等。對于具體的指令集，可以參考相關(guān)文檔。 ARM體系的異常中斷 在ARM體系中通常有以下3種方式控制程序的執(zhí)行流程：★ 在程序正常執(zhí)行過程種，每執(zhí)行一條ARM指令，程序計(jì)數(shù)器寄存器（PC）的值加4個(gè)字節(jié)；每執(zhí)行一條Thumb指令，程序計(jì)數(shù)器寄存器的值加2個(gè)字節(jié)。整個(gè)過程是按順序執(zhí)行。★ 通過跳轉(zhuǎn)指令，程序可以跳轉(zhuǎn)到特定的地址標(biāo)號處執(zhí)行，或者跳轉(zhuǎn)到特定的子程序處執(zhí)行。★ 當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。在異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下一條指令處執(zhí)行。ARM體系中中斷向量表中指定了各異常中斷及處理程序的對應(yīng)關(guān)系。它可以放在存儲地址的低端，也可以放在存儲地址的高端。異常中斷向量表的大小位32字節(jié)，其中每個(gè)異常中斷占據(jù)4個(gè)字節(jié)大小，保留了4個(gè)字節(jié)空間。每個(gè)異常中斷對應(yīng)的中斷向量表中的4個(gè)字節(jié)的空間中放了一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令或者一個(gè)向PC寄存器中賦值的數(shù)據(jù)訪問指令。通過這兩種指令，程序?qū)⑻D(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。下面是ARM體系中各異常中斷向量的描述表： 異常中斷向量表 ARM處理器對異常中斷的響應(yīng)過程如下： ★ 保存處理器當(dāng)前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標(biāo)志位。這是通過將當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR的內(nèi)容保存到將要執(zhí)行的異常中斷對應(yīng)的SPSR寄存器中實(shí)現(xiàn)的?！? 設(shè)置當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器CPSR中相應(yīng)的位，包括設(shè)置CPSR中的位，使處理器進(jìn)入相應(yīng)的執(zhí)行模式；設(shè)置CPSR中的位，禁止IRQ中斷，當(dāng)進(jìn)入FIQ模式時(shí)，禁止FIQ模式?！? 將寄存器lr_mode設(shè)置成返回地址?！? 將程序計(jì)數(shù)器值PC設(shè)置成該異常中斷的中斷向量地址，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。 ARM最小系統(tǒng)描述對于任何一個(gè)系統(tǒng)，都希望不是一個(gè)虛擬系統(tǒng)，也就是說系統(tǒng)都希望是特定系統(tǒng)，即有具體的CPU，有具體的存儲芯片以及有各種具體的外圍控制模塊。對于本課題來說，最終的bootloader也必須在具體的系統(tǒng)上運(yùn)行起來。但是，任何一個(gè)ARM系統(tǒng)，在沒有特定指定的條件下，仍然可以將通用特性（一些通用基本控制模塊）描述出來，在此稱之為ARM最小系統(tǒng)，見下圖： ARM最小系統(tǒng) 從上圖中，可以了解一個(gè)基本的ARM最小系統(tǒng)通常包括以下幾個(gè)部分：★ ARM core★ 存儲控制器：通過它系統(tǒng)可以接入各種DRAM以及ROM★ 總線橋接：系統(tǒng)總線與外圍總線的連接器★ 中斷控制器：供各種設(shè)備提供中斷服務(wù)★ 串口★ GPIO控制模塊：供各種外設(shè)以及系統(tǒng)擴(kuò)充使用對于一些復(fù)雜系統(tǒng)，還可以有更多的功能性模塊，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，ARM系統(tǒng)中包括了更多的通訊控制模塊。4 Bootloader的概念本文在實(shí)現(xiàn)以及驗(yàn)證上都以開放源代碼的linux為操作系統(tǒng)，因此，在眾多舉例以及圖表描述中，多以linux系統(tǒng)為例子。但是，這并不防礙對許多概念的解釋，其本質(zhì)在任何操作系統(tǒng)中都是一致的，所不同的僅僅是實(shí)現(xiàn)形式。 Bootloader的基本概念一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通?？梢苑譃樗膫€(gè)層次：引導(dǎo)加載序、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序。圖 嵌入式Linux系統(tǒng)組成 引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼。我們熟悉的PC中的引導(dǎo)程序一般由BIOS和位于MBR的OS bootloader（例如LILO或者GRUB）一起組成。然而在嵌入式系統(tǒng)中通常沒有像BIOS那樣的固件程序（有的嵌入式CPU有），因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由bootloader來完成。在嵌入式Linux中, 。簡單地說，bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行前運(yùn)行地一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化必要的硬件設(shè)備，創(chuàng)建內(nèi)核需要的一些信息并將這些信息通過相關(guān)機(jī)制傳遞給內(nèi)核，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，真正起到引導(dǎo)和加載內(nèi)核的作用。bootloader是依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式系統(tǒng)中。不同的體系結(jié)構(gòu)需求的bootloader是不同的；除了體系結(jié)構(gòu)，bootloader還依賴于具體的嵌入式板級設(shè)備的配置。也就是說，對于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們基于相同的CPU構(gòu)建，運(yùn)行在其中一塊電路板上的bootloader，未必能夠運(yùn)行在另一塊電路開發(fā)板上。Bootloader的啟動(dòng)過程可以是單階段的，也可以是多階段的。通常多階段的bootloader能提供更為復(fù)雜的功能，以及更好的可移植性。從固態(tài)存儲設(shè)備上啟動(dòng)的bootloader大多數(shù)是二階段的啟動(dòng)過程，也即啟動(dòng)過程可以分為stage 1和stage 2兩部分。 Bootloader的操作模式 大多數(shù)bootloader都包含兩種不同的操作模式：“啟動(dòng)加載”模式和“下載”模式，這種區(qū)別對于開發(fā)人員才有意義。但從最終用戶的角度看，bootloader的作用永遠(yuǎn)就是用來加載操作系統(tǒng)，而并不存在所謂的啟動(dòng)加載模式與下載工作模式的區(qū)別。啟動(dòng)加載模式：這種模式也稱為“自主”模式，即bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固體存儲設(shè)備上將操作